ISBN 978-3-8439-0529-9

978-3-8439-0529-9, Reihe Ingenieurwissenschaften

Markus Friedrich
Modellierung und numerische Simulation der Diesel-Direkteinspritzung auf Basis einer Eulerschen Beschreibung des Kraftstoffsprays unter Verwendung der Direct Quadrature Method of Moments

225 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die mathematische Beschreibung und numerische Simulation von turbulenten, polydispersen Sprays bei der Kraftstoff-Direkteinspritzung.

Es ist Stand des Wissens, dass turbulente, polydisperse Kraftstoffsprays ausreichend genau über die kinetische Spraygleichung beschrieben werden können. Aktuelle Spraymodelle auf Basis Lagrangescher Partikelmethoden sind in der Lage, diese Spraygleichung effizient und mit ausreichend hoher Genauigkeit zu lösen. Nachteile besitzen die Lagrangeschen Spraymodelle jedoch bei der Modellierung des Strahlzerfalls und der Abbildung der starken Kopplung zwischen Düsenströmung, Kraftstoffspray und Gasphase im unmittelbaren Düsennahbereich und im sehr dichten Kraftstoffspray. Eulersche Spraymodelle können hier den Lagrangeschen Spraymodellen überlegen sein, bedürfen aber einer konsequenten Weiterentwicklung, da aktuelle Modelle technisch relevante Kraftstoffsprays entweder nur ungenau oder mit zu hohem Aufwand abbilden können.

In dieser Arbeit wurde ein neues Eulersches Spraymodell entwickelt, welches bei vertretbarem Aufwand in der Lage ist, die relevanten Eigenschaften von turbulenten, polydispersen Kraftstoffsprays abzubilden. Hierzu wurde die Spraygleichung über vereinfachende Annahmen in eine Transportgleichung für die Tropfengrößenverteilung überführt und innerhalb des Eulerschen Mehrphasenmodells mit Hilfe der Direct Quadrature Method of Moments gelöst.

Bei der Modellierung der Spraybildungsprozesse berücksichtigt das vorgeschlagene Spraymodell neben turbulenter Dispersion, Tropfenwiderstand, Tropfenzerfall und binären Tropfenkollisionen auch eine erste, einfache Modellierung des primären Strahlzerfalls unter Berücksichtigung von örtlich und zeitlich aufgelösten Strömungsgrößen an der Austrittsfläche der Kraftstoffdüse.

Das neue Eulersche Spraymodell wurde über Benutzer-Schnittstellen in die kommerzielle Strömungssoftware CFX 11.0 implementiert und zur 3D-Simulation der Diesel-Direkteinspritzung bei vier verschiedenen Betriebspunkten eingesetzt. Der detaillierte Vergleich der Spraysimulationen mit vorhandenen Messdaten und den Ergebnissen eines vergleichbaren Lagrangeschen Spraymodells zeigt, dass das entwickelte Spraymodell in der Lage ist, die wichtigsten Eigenschaften von Kraftstoffsprays bei der Diesel-Direkteinspritzung abzubilden.